(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に直流電圧が印加されるインダクタと、
前記インダクタの他端にドレイン端子が接続されたＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と、
前記ＦＥＴに並列接続されたコンデンサ、及び当該ＦＥＴのドレイン端子を介して前記インダクタの他端に直列接続されたインダクタ及びコンデンサを有する共振回路素子と、
前記ＦＥＴのゲート端子に２ＭＨｚを超える高周波数の電圧信号を出力するドライブ回路と、
電力伝送用アンテナが接続される一対の端子と前記共振回路素子との間に接続された素子から成り、当該素子が、前記ＦＥＴのドレイン−ソース間のピーク電圧を前記直流電圧の３倍から５倍とし、且つ、前記一対の端子のうちの一方の端子から出力される交流電圧の振幅を当該ドレイン−ソース間の電圧以上とする定数に設定された共振整合フィルタと
を備えた共振型高周波電源装置。
【請求項２】
前記共振整合フィルタは、前記ＦＥＴと前記共振回路素子が有する直列接続されたインダクタとコンデンサの接続に並列接続されたコンデンサ、及び当該共振回路素子が有する直列接続されたインダクタ及びコンデンサに直列接続されたコンデンサを有する
ことを特徴とする請求項１記載の共振型高周波電源装置。
【請求項３】
前記ドライブ回路は、２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号を出力する高周波パルスドライブ回路であり、
前記ＦＥＴは、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）用のＦＥＴ以外のＦＥＴである
ことを特徴とする請求項１記載の共振型高周波電源装置。
【請求項４】
前記共振整合フィルタは、前記共振回路素子の共振条件を可変とする
ことを特徴とする請求項１記載の共振型高周波電源装置。
【請求項５】
前記共振回路素子の共振条件を可変とする共振条件可変回路を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の共振型高周波電源装置。
【請求項６】
１次側巻線及び２次側巻線を有するプッシュプル用のトランスと、
一端に直流電圧が印加され、他端が前記１次側巻線の中点の端子に接続されたインダクタと、
ソース端子が接地された第１のＦＥＴと、
ソース端子が接地された第２のＦＥＴと、
前記第１のＦＥＴに並列接続されたコンデンサ、及び前記１次側巻線の一端の端子と当該第１のＦＥＴのドレイン端子とを接続する直列接続されたインダクタ及びコンデンサを有する第１の共振回路素子と、
前記第２のＦＥＴに並列接続されたコンデンサ、及び前記１次側巻線の他端の端子と当該第２のＦＥＴのドレイン端子とを接続する直列接続されたインダクタ及びコンデンサを有する第２の共振回路素子と、
前記第１のＦＥＴのゲート端子に２ＭＨｚを超える高周波数の電圧信号を出力し、前記第２のＦＥＴのゲート端子に当該電圧信号に対して逆位相の電圧信号を出力するドライブ回路と、
電力伝送用送信アンテナが接続される一対の端子と前記２次側巻線との間に接続された素子から成り、当該素子が、前記第１のＦＥＴのドレイン−ソース間のピーク電圧及び前記第２のＦＥＴのドレイン−ソース間のピーク電圧を前記直流電圧の３倍から５倍とし、且つ、当該一対の端子のうちの一方の端子から出力される交流電圧の振幅を当該第１のＦＥＴのドレイン−ソース間の電圧以上及び前記第２のＦＥＴのドレイン−ソース間の電圧以上とする定数に設定された共振整合フィルタと
を備えた共振型高周波電源装置。
【請求項７】
前記共振整合フィルタは、前記２次側巻線に並列接続されたコンデンサ、及び電力伝送用アンテナが接続される一対の端子のうちの交流電圧が出力される端子と前記２次側巻線の一端の端子とを接続するコンデンサを有する
ことを特徴とする請求項６記載の共振型高周波電源装置。
【請求項８】
前記ドライブ回路は、２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号を出力する高周波パルスドライブ回路であり、
前記第１のＦＥＴ及び前記第２のＦＥＴは、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）用のＦＥＴ以外のＦＥＴである
ことを特徴とする請求項６記載の共振型高周波電源装置。
【請求項９】
前記共振整合フィルタは、前記第１の共振回路素子及び前記第２の共振回路素子の共振条件を可変とする
ことを特徴とする請求項６記載の共振型高周波電源装置。
【請求項１０】
前記第１の共振回路素子の共振条件を可変とする第１の共振条件可変回路と、
前記第２の共振回路素子の共振条件を可変とする第２の共振条件可変回路とを備えた
ことを特徴とする請求項６記載の共振型高周波電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高周波数で電力伝送を行う共振型高周波電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図８に示す従来の共振型高周波電源装置では、パワー素子（ＦＥＴ）１０１のドレイン・ソース間に並列接続したインダクタ１０２及びキャパシタ１０３により、ＦＥＴ１０１の寄生容量１０４が大きい場合でもＦＥＴ１０１の共振スイッチングの条件を維持できるように構成している（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−３０９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された従来技術では、ＦＥＴ１０１の寄生容量１０４に対して共振スイッチングの条件を維持できるように設定しているため、出力に繋がる負荷のインピーダンス変動に対しては補償することができない。よって、負荷としてワイヤレス電力伝送用のアンテナなど、共振条件を持つインピーダンス素子が近づいたり遠ざかったりすると、共振スイッチングの条件が崩れてしまうという課題がある。そして、共振スイッチングの条件が崩れるとＦＥＴなどの電力損失が急激に増えるため、その対策のための排熱装置を備える必要がある。また、従来技術では、出力電圧の波形制御についても考慮されておらず、電力伝送の高効率化を図ることができないという課題もある。【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、負荷のインピーダンス変動に対して共振スイッチングの条件を維持し、かつ出力電圧の波形制御を行うことができ、２ＭＨｚを超える高周波数の動作が可能な共振型高周波電源装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る共振型高周波電源装置は、一端に直流電圧が印加されるインダクタと、インダクタの他端にドレイン端子が接続されたＦＥＴと、ＦＥＴに並列接続されたコンデンサ、及び当該ＦＥＴのドレイン端子を介してインダクタの他端に直列接続されたインダクタ及びコンデンサを有する共振回路素子と、ＦＥＴのゲート端子に２ＭＨｚを超える高周波数の電圧信号を出力するドライブ回路と、電力伝送用アンテナが接続される一対の端子と共振回路素子との間に接続された素子から成り、当該素子が、ＦＥＴのドレイン−ソース間のピーク電圧を直流電圧の３倍から５倍とし、且つ、一対の端子のうちの一方の端子から出力される交流電圧の振幅を当該ドレイン−ソース間の電圧以上とする定数に設定された共振整合フィルタとを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、上記のように構成したので、負荷のインピーダンス変動に対して共振スイッチングの条件を維持し、かつ出力電圧の波形制御を行うことができ、２ＭＨｚを超える高周波数の動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置の構成を示す図である（パワー素子がシングル構成）。
【図２】この発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置のＶｄｓ波形とＶｏｕｔ波形を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置の別の構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置の別の構成を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置の別の構成を示す図である（パワー素子がプッシュプル構成）。
【図６】この発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置の別の構成を示す図である（共振条件可変型共振整合フィルタを設けた場合）。
【図７】この発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置の別の構成を示す図である（共振条件可変回路を設けた場合）。
【図８】従来の共振型高周波電源装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置の構成を示す図である。なお図１では、パワー素子Ｑ１がシングル構成の場合の回路を示している。
共振型高周波電源装置は、図１に示すように、パワー素子Ｑ１、共振回路素子（コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ２）、インダクタＬ１、高周波パルスドライブ回路１、可変型パルス信号発生回路２、バイアス用電源回路３及び共振整合フィルタ４から構成されている。
なお、共振型送信アンテナ（電力伝送用送信アンテナ）１０は、ＬＣ共振特性を持つ電力伝送用の共振型アンテナである（非接触型のみに限定されない）。この共振型送信アンテナ１０は、磁界共鳴型、電界共鳴型、電磁誘導型のいずれであってもよい。
【００１０】
パワー素子Ｑ１は、入力の直流電圧Ｖｉｎを交流に変換するためにスイッチング動作を行うスイッチング素子である。パワー素子Ｑ１のＤ端子は、一端に直流電圧Ｖｉｎが印加されるインダクタＬ１の他端に接続されている。このパワー素子Ｑ１としては、ＲＦ用のＦＥＴに限らず、例えばＳｉ−ＭＯＳＦＥＴやＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ−ＦＥＴなどの素子を用いることが可能である。
【００１１】
共振回路素子（コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ２）は、パワー素子Ｑ１のスイッチング動作を共振スイッチングさせるための素子である。コンデンサＣ１は、パワー素子Ｑ１に並列接続されている。また、インダクタＬ２及びコンデンサＣ２は、パワー素子Ｑ１のＤ端子を介してインダクタＬ１の上記他端に直列接続されている。このコンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ２からなる共振回路素子により、共振型送信アンテナ１０との間で共振条件を合わせることができる。
【００１２】
インダクタＬ１は、入力の直流電圧Ｖｉｎのエネルギーを、パワー素子Ｑ１のスイッチング動作ごとに一時的に保持する働きをするものである。
【００１３】
高周波パルスドライブ回路１は、パワー素子Ｑ１のＧ端子に２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号を送り、パワー素子Ｑ１を駆動させる回路である。この高周波パルスドライブ回路１は、出力部をＦＥＴ素子などでトーテンポール回路構成にして高速のＯＮ／ＯＦＦ出力ができるように構成した回路である。
【００１４】
可変型パルス信号発生回路２は、高周波パルスドライブ回路１にロジック信号などの２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号を送り、高周波パルスドライブ回路１を駆動させる回路である。この可変型パルス信号発生回路２は、周波数設定用のオシレータとフリップフロップやインバータなどのロジックＩＣで構成され、パルス幅の変更や反転パルス出力などの機能を持つ。
【００１５】
バイアス用電源回路３は、可変型パルス信号発生回路２及び高周波パルスドライブ回路１への駆動電力の供給を行うものである。
【００１６】
共振整合フィルタ４は、電力伝送用アンテナ１０が接続される一対の端子と共振回路素子との間に接続された素子から成り、パワー素子Ｑ１のスイッチング電圧Ｖｄｓ及び共振型高周波電源装置の出力電圧Ｖｏｕｔの波形制御を行うものである。なお、上記素子は、パワー素子Ｑ１のスイッチング電圧Ｖｄｓのピーク電圧を直流電圧Ｖｉｎの３倍から５倍とし、且つ、上記一対の端子のうちの一方の端子から出力される出力電圧Ｖｏｕｔの振幅をスイッチング電圧Ｖｄｓ以上とする定数に設定される。図１に示す共振整合フィルタでは、パワー素子Ｑ１とインダクタＬ２とコンデンサＣ２の接続に並列接続されたコンデンサＣ３、及び、インダクタＬ２及びコンデンサＣ２に直列接続されたコンデンサＣ４を有している。これにより、共振回路素子（コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ２）の出力インピーダンスと負荷側の共振型送信アンテナ１０の入力インピーダンスとの整合を取ることができる。
【００１７】
次に、上記のように構成された共振型高周波電源装置の動作について説明する。
まず、入力の直流電圧ＶｉｎはインダクタＬ１を通してパワー素子Ｑ１のＤ端子に印加される。そして、パワー素子Ｑ１は、その電圧をＯＮ／ＯＦＦのスイッチング動作により正電圧の交流状電圧へ変換する。この変換動作のときに、インダクタＬ１は一時的にエネルギーを保持する働きをして、直流を交流へ電力変換する手助けを行う。
【００１８】
ここで、パワー素子Ｑ１のスイッチング動作は、Ｉｄｓ電流とＶｄｓ電圧積によるスイッチング損失が最も小さくなるように、ＺＶＳ（ゼロボルテージスイッチング）が成立するようコンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ２からなる共振回路素子で共振スイッチング条件が設定されている。この共振スイッチング動作により、出力電圧ＶｏｕｔにはＲＴＮ電圧を軸にした交流電圧が出力される。
【００１９】
このとき、パワー素子Ｑ１のスイッチング電圧Ｖｄｓと出力電圧Ｖｏｕｔとの関係は共振整合フィルタ４によって設定されるため、負荷側のインピーダンス変動によって内部回路の共振スイッチング条件が変化することはない。なお、共振整合フィルタ４の定数は、Ｖｄｓ及びＶｏｕｔの電圧波形が図２に示すような条件に合うように設定する。図２（ａ）において、ＯＮ−Ｄｕｔｙは３０〜８０％の範囲内で動作する。
【００２０】
パワー素子Ｑ１の駆動は、可変型パルス信号発生回路２からの任意のパルス状の電圧信号を受けた高周波パルスドライブ回路１が出力する、パルス状の電圧信号をパワー素子Ｑ１のＧ端子へ入力することで行っている。このとき、パワー素子Ｑ１の駆動周波数は共振型高周波電源装置の動作周波数となり、可変型パルス信号発生回路２内部のオシレータ回路の設定により決まる。
【００２１】
以上のように、この実施の形態１によれば、パワー素子Ｑ１のスイッチング電圧Ｖｄｓ及び出力電圧Ｖｏｕｔの波形制御を行う共振整合フィルタ４を備えるように構成したので、２ＭＨｚを超える高周波数の動作において、負荷のインピーダンス変動に対して共振スイッチングの条件を維持し（共振スイッチングの条件を５０％以上崩してしまうことがなく）、かつ出力電圧Ｖｏｕｔの波形制御を行うことができる。
その結果、負荷としてワイヤレス電力伝送用のアンテナなど、共振条件を持つインピーダンス素子が近づいたり、遠ざかったりしても、急激な電力損失による発熱を起こすことはなく、発熱保護用のヒートシンクなどの排熱設計を過剰に行う必要はない。そのため、コストの削減、小型、軽量化及び高効率化を図ることができる。
【００２２】
なお図１では、コンデンサＣ３，Ｃ４からなる共振整合フィルタ４を用いる場合について示したが、これに限るものではなく、例えば図３，４に示すような構成の共振整合フィルタ４を用いてもよい。
【００２３】
また図１では、パワー素子Ｑ１を駆動させるため、高周波パルスドライブ回路１、可変型パルス信号発生回路２及びバイアス用電源回路３を用いた場合について示したが、これに限るものではなく、例えばトランス型ドライブ回路、ＲＦパワーアンプ回路及び多出力型電源回路を用いるようにしてもよい。
【００２４】
また図１では、パワー素子Ｑ１を用いてシングル構成とした場合の回路について示したが、これに限るものではなく、例えば図５に示すように、パワー素子（第１のＦＥＴ、第２のＦＥＴ）Ｑ１，Ｑ１１を用いてプッシュプル構成とした場合にも同様に本発明を適用可能である。
なお、図５に示すプッシュプル構成において、トランスＴ１は、１次側巻線及び２次側巻線を有するプッシュプル用のトランスである。また、インダクタＬ１は、一端に直流電圧Ｖｉｎが印加され、トランスＴ１の１次側巻線の中点の端子に他端が接続されている。また、パワー素子Ｑ１，Ｑ１１のＳ端子はそれぞれ接地されている。また、パワー素子Ｑ１に対して第１の共振回路素子（コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ２）が設けられ、パワー素子Ｑ１１に対して第２の共振回路素子（コンデンサＣ１１，Ｃ１２及びインダクタＬ１２）が設けられている。ここで、コンデンサＣ１は、パワー素子Ｑ１に並列接続されている。また、インダクタＬ２及びコンデンサＣ２は、トランスＴ１の１次側巻線の一端の端子とパワー素子Ｑ１のＤ端子とを接続するように直列接続されている。同様に、コンデンサＣ１１は、パワー素子Ｑ１１に並列接続されている。また、インダクタＬ１２及びコンデンサＣ１２は、トランスＴ１の１次側巻線の他端の端子とパワー素子Ｑ１１のＤ端子とを接続するように直列接続されている。また、高周波パルスドライブ回路１は、パワー素子Ｑ１のＧ端子に２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号を出力し、パワー素子Ｑ１１のＧ端子に当該電圧信号に対して逆位相の電圧信号を出力する。また、共振整合フィルタ４は、電力伝送用送信アンテナ１０が接続される一対の端子とトランスＴ１の２次側巻線との間に接続されている。そして、共振整合フィルタ４を構成する素子が、パワー素子Ｑ１のスイッチング電圧Ｖｄｓのピーク電圧及びパワー素子Ｑ１１のスイッチング電圧Ｖｄｓのピーク電圧を直流電圧Ｖｉｎの３倍から５倍とし、且つ、上記一対の端子のうちの一方の端子から出力される出力電圧Ｖｏｕｔの振幅を当該パワー素子Ｑ１のスイッチング電圧Ｖｄｓ以上及びパワー素子Ｑ１１のスイッチング電圧Ｖｄｓ以上とする定数に設定される。
【００２５】
また図１では、共振回路素子による共振条件が固定の場合について説明を行ったが、これに限るものではなく、例えば図６に示すように、共振回路素子による共振条件を可変させる共振条件可変型共振整合フィルタ５を用いるようにしてもよい。また、例えば図７に示すように、上記共振回路素子（コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ２）による共振条件を可変させる共振条件可変回路６を別途設けるようにしてもよい。
【００２６】
また、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
この発明に係る共振型高周波電源装置は、負荷のインピーダンス変動に対して共振スイッチングの条件を維持し、かつ出力電圧の波形制御を行うことができ、２ＭＨｚを超える高周波数の動作が可能となり、高周波数で電力伝送を行う共振型高周波電源装置等に用いるのに適している。
【符号の説明】
【００２８】
１  高周波パルスドライブ回路、２  可変型パルス信号発生回路、３  バイアス用電源回路、４  共振整合フィルタ、５  共振条件可変型共振整合フィルタ、６  共振条件可変回路、１０  共振型送信アンテナ（電力伝送用送信アンテナ）。
【図１】
0005832672.tif 000002
【図２】
0005832672.tif 000003
【図３】
0005832672.tif 000004
【図４】
0005832672.tif 000005
【図５】
0005832672.tif 000006
【図６】
0005832672.tif 000007
【図７】
0005832672.tif 000008
【図８】
0005832672.tif 000009